玉米收獲機(jī)械四驅(qū)傳動參數(shù)分析實(shí)驗(yàn)

施 新，周德義，劉林鶴，呂新磊，王子佳

(1.吉林大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130022； 2.長春格瑞特農(nóng)業(yè)裝備科技有限公司，長春 130507)

?

玉米收獲機(jī)械四驅(qū)傳動參數(shù)分析實(shí)驗(yàn)

施 新1，周德義1，劉林鶴1，呂新磊1，王子佳2

(1.吉林大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130022； 2.長春格瑞特農(nóng)業(yè)裝備科技有限公司，長春 130507)

農(nóng)業(yè)機(jī)械工作環(huán)境惡劣，其適應(yīng)性要求比路面機(jī)械高很多，尤其面對田間不良地況時，對農(nóng)業(yè)機(jī)械的行駛性能要求更高。對于大型農(nóng)業(yè)機(jī)械的田間作業(yè)，應(yīng)用四輪驅(qū)動有利于提高機(jī)器與地面的附著力和行駛的穩(wěn)定性，使得大型農(nóng)業(yè)機(jī)械在田間作業(yè)時不至于因?yàn)閷Φ孛娴母街Σ蛔愣p易打滑。玉米收獲機(jī)在我國東北地區(qū)的壟作田間地頭需要掉頭及丘陵地區(qū)斜坡工作時都需要提高穩(wěn)定性和對地面的附著力，而四輪驅(qū)動是一種很好的解決方案。在某種程度上，采用四輪驅(qū)動，可能會因?yàn)榍啊⒑筝喼g速度匹配不當(dāng)而使得前后驅(qū)動橋之間產(chǎn)生干涉作用，加劇了機(jī)器磨損，縮短了機(jī)器的壽命；但從總體上看，適宜地采用四輪驅(qū)動在實(shí)際應(yīng)用中還是更有優(yōu)勢。為此，采用理論分析、實(shí)際計(jì)算和樣機(jī)試驗(yàn)的方式分析玉米收獲機(jī)的前、后輪的速度匹配問題，討論不同的超前率對機(jī)器驅(qū)動橋和輪胎磨損、壽命的影響。

超前率；驅(qū)動橋；玉米收獲機(jī)；磨損；速度匹配

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)全程機(jī)械化的推進(jìn)，玉米收獲環(huán)節(jié)的機(jī)械化程度越來越高，玉米聯(lián)合收獲機(jī)普及程度逐年提高。面對田間不良地況環(huán)境對收獲機(jī)行駛性能的不利影響和用戶對更高操作舒適性追求之間的矛盾，逐步推廣四輪驅(qū)動玉米收獲機(jī)是一個很明顯的趨勢。農(nóng)業(yè)機(jī)械工作的環(huán)境惡劣，對機(jī)械的環(huán)境適應(yīng)性要求比平常的路面機(jī)械高很多。在田間惡劣的行駛環(huán)境中，四輪驅(qū)動可以提高機(jī)械與地面的驅(qū)動附著力，提升驅(qū)動性能和行駛的穩(wěn)定性。但是，不當(dāng)?shù)那啊⒑筝喫俣绕ヅ鋵觿C(jī)器的磨損，縮短機(jī)器的壽命。因此，在推廣四輪驅(qū)動玉米收獲機(jī)時，前、后輪速度匹配是一個不可忽視的問題，盡管四輪驅(qū)動比相應(yīng)的兩輪驅(qū)動成本要高，機(jī)器的價格相應(yīng)的也要高，但是綜合而言更受歡迎。在實(shí)際環(huán)境中，前后輪線速度差比在一定的范圍內(nèi)均可以使得四輪驅(qū)動提高收獲機(jī)的行駛性能，提升其工作效率，克服不良環(huán)境對收獲進(jìn)度的阻礙。為此，本文主要通過理論分析、實(shí)際計(jì)算和田間試驗(yàn)的方式討論適宜的超前率的范圍[1-3]。

1 四輪驅(qū)動的分類和優(yōu)缺點(diǎn)

四輪驅(qū)動按不同的分類方法可以得到不同的結(jié)果；按照四輪驅(qū)動的驅(qū)動時間可以分為：全時驅(qū)動，適時驅(qū)動及手動分時四輪驅(qū)動；按照驅(qū)動結(jié)構(gòu)可以分為：全機(jī)械式四驅(qū)傳動、前機(jī)械后液壓四驅(qū)傳動及前后均為液壓的四驅(qū)傳動。本文討論的內(nèi)容就是按照第2種分類方法得出的幾種四輪驅(qū)動方式。下面介紹現(xiàn)階段玉米收獲機(jī)上應(yīng)用的四驅(qū)傳動的方式及優(yōu)缺點(diǎn)。

1)全機(jī)械式四驅(qū)傳動：近年來，國家對農(nóng)業(yè)機(jī)械補(bǔ)貼力度加大，促使許多其他產(chǎn)業(yè)的資本進(jìn)入農(nóng)業(yè)裝備行業(yè)，尤其是玉米收獲機(jī)械；但是，我國在玉米收獲機(jī)的技術(shù)水平方面與美國等發(fā)達(dá)國家仍然有很大的差距。在國家的大力補(bǔ)貼下形成了如下局面：小作坊式的玉米收獲機(jī)廠家數(shù)量大幅增加；但沒有技術(shù)積累，導(dǎo)致整體裝備技術(shù)水平不高，故障率居高不下。在機(jī)器的結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面，主要使用的還是機(jī)械式和液壓式，電氣化水平不高；在驅(qū)動結(jié)構(gòu)上主要使用的是全機(jī)械式驅(qū)動橋。在四驅(qū)玉米收獲機(jī)上使用的多是機(jī)械式結(jié)構(gòu)，通過將前驅(qū)動橋的動力通過萬向節(jié)傳遞到后橋上以實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動。而前后輪的速度匹配則受前后輪胎的直徑大小和前后橋內(nèi)各級齒輪的傳動比大小的影響。該方式的四驅(qū)傳動具有技術(shù)水平要求低、生產(chǎn)制造成本低及容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但在性能上卻有所不足。萬向節(jié)的使用使得玉米收獲機(jī)上的還田機(jī)必須后置，造成兩輪驅(qū)動和四輪驅(qū)動機(jī)器在結(jié)構(gòu)上差異加大，零件通用性降低，成本會相應(yīng)上升。在某些使用場合會由于扒皮機(jī)上的落葉造成玉米外皮纏繞中間傳動軸的現(xiàn)象，為了防止中間萬向節(jié)傳動距離過長，不少廠家會選擇在中間部位加上中間支撐，造成了萬向節(jié)傳動時角度過大，功率損耗加大。另一方面，該種傳動方式，在前后驅(qū)動橋中間的連接上一般會出現(xiàn)一對弧形錐齒輪，在正向前進(jìn)時能夠提高傳動接觸的平穩(wěn)性，減少傳動過程中的沖擊載荷的作用；但是，在四輪驅(qū)動倒擋行駛時弧形齒輪反向傳動容易出現(xiàn)打齒的現(xiàn)象，而該對弧形齒輪的維修需要拆開驅(qū)動橋大部分結(jié)構(gòu)，十分不方便。

2)前驅(qū)動橋機(jī)械式、后驅(qū)動橋液壓式：后驅(qū)動橋液壓的動力來源可以分為兩種：一種是后驅(qū)動橋的液壓動力直接從發(fā)動機(jī)上的液壓泵上獲得，速度由傳感器檢測前輪轉(zhuǎn)速而匹配控制；另一種是后驅(qū)動橋的動力從安裝在前驅(qū)動橋上的泵上獲得，前后輪的速度直接由部件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)匹配控制。液壓傳動雖有其優(yōu)點(diǎn)，但由于其對密封性的嚴(yán)格要求，致使很多小企業(yè)不具備這樣的生產(chǎn)條件。目前，我國一些大中型的玉米收獲機(jī)廠家正在進(jìn)行該類型四輪驅(qū)動玉米收獲機(jī)的生產(chǎn)和使用的推廣。

3)前驅(qū)動橋和后驅(qū)動橋均為液壓式的驅(qū)動橋：其速度匹配直接由傳感器控制，通過改變發(fā)動機(jī)帶動的液壓泵輸出到前驅(qū)動橋和后驅(qū)動橋上的液壓馬達(dá)內(nèi)的流量來改變前、后輪速度，以實(shí)現(xiàn)合理的速度匹配。由于該方法需要一定的技術(shù)積累和研發(fā)水平，所以目前我國國內(nèi)只有大型玉米收獲機(jī)廠家正在完善、生產(chǎn)和推廣。

4 )目前，國外發(fā)達(dá)國家相關(guān)的液壓傳動技術(shù)發(fā)展領(lǐng)先于我國，相關(guān)的精密零部件生產(chǎn)水平能夠支撐全液壓傳動的應(yīng)用，故國外的大型玉米收獲機(jī)上安裝的多是全液壓驅(qū)動橋和轉(zhuǎn)向橋。該種配置方式可以很容易地實(shí)現(xiàn)無級變速功能，機(jī)器整體布置結(jié)構(gòu)也相對簡單，容易在機(jī)器結(jié)構(gòu)不變時實(shí)現(xiàn)動力傳遞路線的變更。目前，國內(nèi)尚且沒有廠家能夠在低成本的條件下生產(chǎn)液壓傳動和控制的核心零部件，導(dǎo)致整套液壓傳動和驅(qū)動系統(tǒng)的成本很高，生產(chǎn)出的大型玉米收獲機(jī)競爭力很不足[4-6]。

2 拖拉機(jī)四輪驅(qū)動技術(shù)現(xiàn)狀

四輪驅(qū)動拖拉機(jī)與目前尚在使用中的兩輪驅(qū)動拖拉機(jī)相比,優(yōu)點(diǎn)有很多,主要是其良好的對地附著性能和不良路況的通過性能。目前，四輪驅(qū)動拖拉機(jī)主要應(yīng)用在耕整地等載荷較大、工作環(huán)境比較惡劣及速度較低時，而在運(yùn)輸?shù)雀咚贍顟B(tài)下是不能使用四輪驅(qū)動的，以防止對機(jī)器本身造成快速的磨損和破壞。因此，多數(shù)四輪驅(qū)動拖拉機(jī)在使用說明上明確的標(biāo)注出，禁止高速四輪驅(qū)動。下面具體分析四輪驅(qū)動拖拉機(jī)前后輪的速度匹配問題。

四輪驅(qū)動拖拉機(jī)在實(shí)際行駛的過程中，前輪與后輪的線速度是一致的，分別記為VF和VR，記拖拉機(jī)前進(jìn)速度為V，則

VF=VR=V

(1)

引入滑轉(zhuǎn)率，實(shí)際速度與理論速度的關(guān)系為

(2)

(3)

式中 VLF—前驅(qū)動輪的理論速度；

VLR—后驅(qū)動輪的理論速度；

δF—前驅(qū)動輪的滑轉(zhuǎn)率；

δR—后驅(qū)動輪的滑轉(zhuǎn)率。

將式(2)、式(3)代入式(1)中得

整理上式可得

(4)

式(4)中△V=VLR-VLF為后驅(qū)動輪和前驅(qū)動輪理論速度之差。

(5)

相關(guān)文獻(xiàn)記載，對于前驅(qū)動輪理論速度VLF、后驅(qū)動輪理論速度VLR及拖拉機(jī)實(shí)際前進(jìn)速度V產(chǎn)生功率循環(huán)的臨界條件為: VLR>VLF=V；故一般四輪驅(qū)動拖拉機(jī)為了防止產(chǎn)生功率循環(huán)，在設(shè)計(jì)時一般是前輪理論速度VLF稍快于后輪的理論速度VLR，即超前率為負(fù)值。

關(guān)于拖拉機(jī)的超前率的取值范圍，各個國家的規(guī)定不盡相同。從實(shí)際應(yīng)用角度看，我國早期引進(jìn)過的是意大利Fiat公司生產(chǎn)的變型四輪驅(qū)動拖拉，該公司的變型四輪驅(qū)動拖拉機(jī)性能良好。幾個國家拖拉機(jī)超前率的選取范圍如表1所示。

表1 幾個國家拖拉機(jī)超前率的選取范圍

從另一個方面考慮，在不同的地面條件下，超前率的范圍也是不同的，尤其各自的合理的超前率范圍。表2即為相關(guān)典型地面條件下的合理超前率范圍。

目前，我國的主要拖拉機(jī)生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)拖拉機(jī)時，超前率一般取值為-3%左右[7-8]。

表2 典型地面條件下的合理超前率范圍

3 某款玉米收獲機(jī)超前率的實(shí)際計(jì)算

以長春格瑞特農(nóng)業(yè)裝備科技有限公司的某一款速度匹配并不成功的四驅(qū)玉米收獲機(jī)上應(yīng)用的前后驅(qū)動橋?yàn)槔?jì)算四驅(qū)玉米收獲機(jī)上的超前率問題。該款玉米收獲機(jī)上前驅(qū)動橋應(yīng)用的是兗州市豐業(yè)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的四輪驅(qū)動的前驅(qū)動橋，型號為Y550；后驅(qū)動橋?yàn)闉H坊谷合傳動技術(shù)有限公司的四輪驅(qū)動的后驅(qū)動轉(zhuǎn)向橋型號為554。對于前驅(qū)動橋，該型號(Y550)的豐業(yè)驅(qū)動橋主要應(yīng)用于2行與3行玉米收獲機(jī)，有四輪驅(qū)動和兩輪驅(qū)動的兩種類型。四輪驅(qū)動橋比兩輪驅(qū)動橋多了一套動力分配機(jī)構(gòu)，兩輪驅(qū)動橋和四輪驅(qū)動橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖3顯示的是動力傳遞路線，發(fā)動機(jī)上的動力傳遞到皮帶輪后，帶動第1軸，繼續(xù)通過齒輪嚙合傳遞動力到達(dá)圖3中所指示的第4軸上，動力在第4軸上分別通過13齒齒輪和30齒齒輪向后傳遞，即將一分為二的動力分別傳遞到前輪輪轂和后驅(qū)動橋，以達(dá)到四輪驅(qū)動的目的。其中，拉臂為后輪動力結(jié)合和切斷的操作機(jī)構(gòu)，通過該拉臂上下擺動可以達(dá)到左右移動嚙合套的目的，以實(shí)現(xiàn)后驅(qū)動動力的結(jié)合與切斷。圖4為四輪驅(qū)動的后驅(qū)動橋[9]。

圖1 兩輪驅(qū)動前驅(qū)動橋圖

圖2 四輪驅(qū)動前驅(qū)動橋圖

本文主要分析四輪驅(qū)動的驅(qū)動橋前橋部分，如圖5所示。其中，第1軸上的齒輪齒數(shù)為20齒；第2軸上的齒輪齒數(shù)依次為19、19、35齒；第3軸上的齒輪齒數(shù)依次為22、33、29、34、17齒；第4軸上的齒輪齒數(shù)為36、 25、 30、 29、 13、 30齒；第5軸上的齒輪齒數(shù)為19齒；第6軸上的齒輪齒數(shù)依次為26、29齒；第7軸上的齒輪齒數(shù)依次為20弧齒及30齒平齒。

1.皮帶輪 2.13齒輪軸 3.30齒輪 4.第4軸 5.拉臂

圖4 四輪驅(qū)動后驅(qū)動橋動力傳遞路線圖

圖5 四輪驅(qū)動前驅(qū)動橋內(nèi)部齒輪圖

在此，通過工作時的發(fā)動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行推導(dǎo)，設(shè)定輸入前驅(qū)動橋的皮帶輪轉(zhuǎn)度為ω=1 600r/min，分析前、后驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)，計(jì)算四輪驅(qū)動橋的傳動比；以Ⅰ擋為例，計(jì)算第1軸到前、后輪的傳動比以及前、后輪線速度。

第1軸和前輪之間的傳動比為

后驅(qū)動轉(zhuǎn)向橋內(nèi)部的傳動比為

第1軸和后輪之間的傳動比為

前輪線速度為

后輪線速度為

前、后輪的規(guī)格為：d=740mm、D=940mm。

線速度差為

△V=VLR-VLF=0.0672m/s

前后輪速差比(超前率)為

其他擋位的傳動比、線速度計(jì)算數(shù)值、線速度差值及線速度差比數(shù)值計(jì)算如下表3所示。

表3 數(shù)據(jù)記錄表

從上述計(jì)算可知：在其他因素相同時(如前輪直徑D和后輪直徑d的取值)，對于前、后輪的線速度差會因?yàn)閾跷徊煌兓簱跷簧撸€速度差增大，但其相應(yīng)的速度差比值不受檔位不同的影響，為一個定值0.085 5。當(dāng)然，如果選擇在同一擋位，而修改前、后輪的直徑可以計(jì)算如下：假設(shè)修改后的前后輪直徑分別為：D=1 000mm、d=760mm，則前后輪速度差比值為0.047 9。由上述計(jì)算可知，可以通過修改輪胎規(guī)格的方法改變前、后輪速度差比，即改變超前率。

上述計(jì)算的是長春格瑞特農(nóng)業(yè)裝備科技有限公司的尚在研制中的玉米收獲機(jī)樣機(jī)，所用的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，選擇上述規(guī)格的輪胎與上述的前、后驅(qū)動橋匹配時，工作效果很差，多數(shù)在很短的工作時間內(nèi)機(jī)器的行走系統(tǒng)就出現(xiàn)了問題。經(jīng)過檢查，原因?yàn)榍啊⒑篁?qū)動橋內(nèi)齒輪出現(xiàn)打齒現(xiàn)象和重度磨損現(xiàn)象，輪胎磨損明顯；且在使用四輪驅(qū)動行駛時，動力性能發(fā)揮的不明顯，機(jī)器在掛上四輪驅(qū)動前進(jìn)時穩(wěn)定性變差。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析

為了解決上述速度匹配不當(dāng)?shù)膯栴}，在不改變前、后輪胎規(guī)格的前提下，通過調(diào)整驅(qū)動橋內(nèi)的部分齒輪齒數(shù)的方式來改變前后輪的速度匹配， 獲得不同的超前率的值。改變前驅(qū)動橋內(nèi)的4個齒輪的齒數(shù)如表4所示。

表4 齒數(shù)變換表

a代表第7軸上平齒輪齒數(shù)；b代表輸出接盤軸上的弧錐齒輪齒數(shù)；c代表第6軸上平齒輪齒數(shù)；d第7軸上弧錐齒輪齒數(shù)。

在改變上述前驅(qū)動橋內(nèi)齒輪的前提下進(jìn)行實(shí)地收獲玉米的試驗(yàn)。在德惠市岔路口鎮(zhèn)試驗(yàn)田、永吉縣岔路河鎮(zhèn)試驗(yàn)田、農(nóng)安縣燒鍋鎮(zhèn)試驗(yàn)田和九臺市興隆鎮(zhèn)試驗(yàn)田內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)時間設(shè)計(jì)為15天共120h，在相同地形的玉米的地里進(jìn)行正常的作業(yè)，在不同超前率的數(shù)種情況下驅(qū)動橋內(nèi)齒輪磨損程度(主要考察非替換齒輪)及前、后輪胎磨損程度記錄如表5所示。

表5 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄表

5 結(jié)論

玉米收獲機(jī)在作業(yè)時自身的質(zhì)量會隨著收獲作物的增多而增加，以至于輪胎變形，使得輪胎實(shí)際的工作半徑變小；而后輪尺寸較小，且增加的收獲的作物質(zhì)量大多作用在后輪上，致使后輪變形比前輪更加嚴(yán)重。從實(shí)際應(yīng)用的角度看，一般也是在載荷較大、前進(jìn)動力不足時使用四輪驅(qū)動，故前后輪的線速度不應(yīng)該完全相等，而應(yīng)該保持其線速度差比值在一個合理的范圍內(nèi)。由本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析結(jié)合拖拉機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)可知，將線速度差的比值保持在-4%～-2%之間能夠使得玉米收獲機(jī)工作良好。

[1] 郭治鵬.玉米收獲機(jī)械推廣現(xiàn)狀及前景研究[D].鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[2] 陳志，郝付平，王鋒德，等.中國玉米收獲技術(shù)與裝備發(fā)展研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012,43(12)：44-50.

[3] 劉聲春，張道林，張繼磊，等.我國玉米收獲機(jī)研制現(xiàn)狀及發(fā)展展望[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009，31(11)：241-246.

[4] 何平.四驅(qū)的分類[J].交通世界，1997(11)：16.

[5] 劉清波.智能四驅(qū)與其它四驅(qū)系統(tǒng)的仿真比較[J].科技市場經(jīng)濟(jì)，2006(5)：16.

[6] 劉俊瑞.四輪驅(qū)動拖拉機(jī)的特點(diǎn)探討[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2003(10)：25.

[7] 黃興華.變型四輪拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向過程中功率循環(huán)的理論分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，1988(2)：28-33.

[8] 黃興華.變型四輪驅(qū)動拖拉機(jī)合理超前率選擇的理論分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，1993(1)：13-18.

[9] 王子佳.4YZ-2自走式玉米聯(lián)合收獲機(jī)總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件的研究[D].長春：吉林大學(xué)，2013.

Analysis on Transmission Parameters of Four-wheel Drive Corn Harvester

Shi Xin1, Zhou Deyi1, Liu Linhe1, Lv Xinlei1, Wang Zijia2

(1.College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China; 2.Changchun Great Agricultural Equipment Technology Co., LTD,Changchun 130507,China)

Agricultural machinery always work at poor environment，which requires it should have more adaptability to harsh environment than road machinery, especially in the face of adverse ground conditions in the field，agricultural machinery requires more higher driving performance. For large agricultural machinery, four-wheel drive can improve grip to the ground and driving stability, which can avoid easy slipping during field work because of lack adhesion on the ground. Corn harvester, one of agricultural machinery, always work with heavy load in the field. Four-wheel drive is a good solution to improve stability and adhesion on the ground at poor field, especially when required turn round at the end of the field in the Northeast of China with ridges; when the harvester work at slope in hilly areas. To some extent, when use four-wheel drive with unsuitable speed match between the front wheels and rear wheels may create t interference effect between the front axle and rear axle, then it will increase wear and shorten the life of the machine. In general, the appropriate use of four-wheel drive in the practical application is still an advantage. In this paper, we will discuss the impact on the wear of entire machine and life of it under different advance rates conditions through actual calculation and experiments.

advance rates；drive axle；corn harvester；mechanical wear；speed matching

2015-11-30

農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(2013GB2B100122)

施 新(1991-),男，安徽滁州人，碩士研究生，(E-mail)935900490@qq.com。

周德義(1969-)，男，長春人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)2297687739@qq.com。

S225.5+1

A

1003-188X(2017)01-0165-06